Переработка растительных отходов силосованием и компостированием

1.

Тема 10б
ПЕРЕРАБОТКА РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ СИЛОСОВАНИЕМ И
КОМПОСТИРОВАНИЕМ
План лекции
Получение силоса
Стадии силосования растительной массы
Факторы, от которых зависит качество силоса
Силосные добавки
Компостирование
Стадии компостирования
Организация процесса компостирования
РХТУ АЕК

2.

Вопросы в экзаменационных билетах
1. Силосование. Биологические и технологические основы.
2. Силосные добавки для повышения качества силоса.
3. Компостирование. Биологические и технологические основы.
Кн. 2, т.1, с. 368-387
РХТУ АЕК

3.

Получение силоса - анаэробный процесс.
Компостирование – аэробный процесс.
ПОЛУЧЕНИЕ СИЛОСА
Силосование используется для повышения питательной ценности
растительного корма и его консервации.
Силосованию подвергают траву.
В состав травы входят структурные углеводы (гемицеллюлоза,
целлюлоза) и запасные углеводы (ферментируемые сахара). В
травах умеренного пояса волокна обычно составляют 30-40% от
СВ, основные запасные углеводы, фруктаны или гемицеллюлозы 5-7% от СВ, истинные ферментируемые сахара (фруктоза, глюкоза,
сахароза) - около 10% от СВ. У бобовых основной запасной
углевод - крахмал.
Траву закладывают для силосования в бурты. Сбор трав для
закладки силосных буртов лучше проводить в относительно ранней
стадии роста, когда высоко содержание ферментируемых сахаров, а
содержание волокон - низкое. На силос закладывают массу с 25-30%
сухого вещества. Если содержание СВ < 25%, - используются
силосные добавки для достижения хорошей ферментируемости и
уменьшения потерь силоса.
РХТУ АЕК

4.

Силосование проводят в ямах, траншеях, буртах или силосных башнях.
А. Наземные траншеи
Б. Полузаглубленные траншеи
Схема траншей для силосования.
Траншеи устраивают по возможности на возвышенном месте.
Наземные траншеи сооружают на участках с ровным рельефом и высоким
уровнем грунтовых вод. Они имеют высоту не более 3 м.
Заглубленные и полузаглубленные траншеи, глубиной не менее 3 м, устраивают
на участках с низкопроницаемыми глинистыми, суглинистыми грунтами со
сравнительно низким уровнем грунтовых вод.
Стены и днища траншей изготавливают из бетона, железобетона, кирпича,
сборных железобетонных элементов.
Для стока атмосферных и дренажных вод около силосных сооружений
устраивают канавы.
РХТУ АЕК

5.

В результате силосования получают силос усредненного состава:
СВ
20-23%
аммонийный азот, % от общего
7-10%
сырой протеин
14-16%
перевариваемый сырой протеин
80-110 г/кг
рН
4,0-4,2
Стадии силосования растительной массы
I.
Аэробная стадия.
На этой стадии наблюдается потребление захваченного атмосферного
кислорода в сырье растительными ферментами в еще дышащих
растениях и размножение аэробных бактерий, входящих в состав
эпифитной (на поверхности листьев) микрофлоры силосуемых растений.
Стадия непродолжительна.
II – IV. Анаэробные стадии.
II. Развитие молочнокислых стрептококков и представителей семейства
Enterobacteriaceae. В растительной массе накапливаются молочная и
уксусная кислоты. Стадия непродолжительна.
РХТУ АЕК

6.

X, pH, pO2
to 22–40 oC
8–15 сут.
Гомоферментативное
молочнокислое
109–1010 кл./г
брожение
Lactobacillus
plantarum,
L. curvatus
pO2
Гетероферментативное
молочнокислое брожение
L. brevis,
L. buchneri
pH
Streptococcus
Enterobacteriaceae
Streptococcus
Pediococcus
Lactobacillus
Leuconostoc
Clostridium
5,5–6,0
106 кл./г
pH 3,8-4,2
1–2
I
II
Время,
сут
60–70
3–4
III
IV
Развитие микробного сообщества при созревании и
консервации силоса холодным способом
РХТУ АЕК

7.

III. Развитие лактобацилл. Эта фаза наиболее продолжительна и является
определяющей в созревании силоса. За силосование ответственны 4 рода
молочнокислых бактерий (Lactobacillus, Pedicoccus, Streptococcus, Leuconostoc).
Со временем в силосной микрофлоре начинают доминировать семейство
Lactobacillaceae.
В начале силосования размножаются гомоферментативные лактобациллы
(Lactobacillus plantarum и L. curvatus), осуществляющие гомоферментативное
брожение сахаров с образованием молочной и уксусной кислоты
C6H12O6
2 CH3CHOHCOOH
глюкоза, фруктоза
C5H10O5
CH3CHOHCOOH + CH3COOH
арабиноза, ксилоза
В процессе этого брожения потерь сухих веществ нет, потери энергии
незначительны.
К концу этой стадии начинают доминировать гетероферментативные виды (L.
buchneri, L. brevis), сбраживающие сахара с образованием молочной кислоты
и этанола и выдерживающие более высокие концентрации накапливающейся
уксусной кислоты:
C6H12O6
глюкоза, фруктоза
CH3CHOHCOOH + C2H5OH + CO2
При гетероферментативном брожении наблюдаются потери сухого вещества
– около 20%.
РХТУ АЕК

8.

В естественной микрофлоре преобладают гетероферментативные
молочнокислые бактерии.
В ходе силосования за счет образования молочной и уксусной кислоты pH
постепенно понижается и стабилизируется на уровне 3,8-4,2. Концентрация
молочнокислых бактерий достигает 109 -1010 кл/г на 8-15 сутки силосования,
температура повышается до 22-40 оС. Силос, содержащий достаточно
молочной кислоты, чтобы активность микроорганизмов была в нем угнетена,
оказывается законсервированным. За время консервации количество
микроорганизмов постепенно снижается и падает до 106 кл/г за 60 сут, рН
за это время постепенно возрастает.
IV. Развитие бактерий р. Clostridium. Они начинают развиваться в силосе
при рН > 5,0, используя оставшиеся углеводы, молочную кислоту и
аминокислоты силоса, образуют масляную кислоту, которая слабее, чем
молочная, и аммиак. В результате постепенно снижается кислотность и более
интенсивно развиваются гнилостные микроорганизмы, что приводит к порче
силоса.
РХТУ АЕК

9.

Факторы, от которых зависит качество силоса
При закладке силосных буртов важно:
- создать анаэробные условия,
- обеспечить доминирование молочнокислых бактерий (их общее количество должно быть
105- 106 бактерий/г силосной массы),
- растительное сырье должно содержать много СВ- сухих веществ и особенно РВредуцирующих веществ (сахаров).
В районах с умеренным климатом содержание сахаров в растительной массе более
низкое, при таких условиях доминируют гетероферментативные молочнокислые бактерии.
Если СВ и РВ мало, силосные бурты плохо укрыты и обеспечивается большой доступ
кислорода, то рН > 4,0 и в силосной массе развиваются энтеробактерии и клостридии,
которые утилизируют молочную кислоту, белок, остаточные РВ, что приводит к утрате
пищевой ценности силоса. Вместо молочной кислоты может накапливаться масляная,
которая слабее, чем молочная.
Если в сырье много бобовых, то для достижения необходимого рН потребуется больше
молочной кислоты из-за высокой буферной емкости белков бобовых.
Если в силосной массе мало молочнокислых бактерий, то при анаэробных условиях могут
развиваться дрожжи, образуя этанол и CO2. Консервация не происходит.
Внесение азотных удобрений перед скосом травы может увеличить содержание
аммонийного и нитратного азота. При содержании общего азота > 100 г/кг трудно достичь
значений рН до ингибирующего активность клостридий уровня. Кроме того, за счет
нитратредукции NO3- NO2- NH4+ происходит повышение рН.
РХТУ АЕК

10.

Для улучшения процесса консервации силоса используют силосные добавки.
Силосные добавки могут быть ингибиторами и стимуляторами ферментации.
Ингибиторы - кислотные добавки (серная и муравьиная кислота) и консерванты
(формальдегид, параформальдегид).
Стимуляторы - источники углеводов - патока и барда, молочнокислые бактерии,
ферменты.
Силос с рН < 3,0 неприятен для животных и вызывает ацидоз в рубце (оптимальное
значение рН 3,6-4,0), поэтому использование кислотных добавок не очень эффективно.
Формальдегид используют в виде 40% раствора, которым опрыскивают силос. Через
100 дней остается только 20% от исходного содержания формальдегида, что приводит к
порче силоса. Формальдегид к тому же ухудшает качество и перевариваемость белков.
Свободный формальдегид может переноситься в молоко. Более оптимальным
является использование смеси формальдегида и муравьиной или серной кислоты.
Параформальдегид более устойчив и препятствует интенсивному разрушению белков,
ингибируя преимущественно маслянокислое брожение, а не всю силосную
микрофлору.
Добавки патоки, барды увеличивают СВ, содержание молочной кислоты и уменьшают
вследствие этого рН. Добавки вносят в количестве 50 г/кг силосной массы. Высокое
содержание фруктозы в патоке способствует росту гетероферментативных бактерий,
что уменьшает количество молочной кислоты в силосе и вызывает нестабильность
молочнокислого брожения.
РХТУ АЕК

11.

Более перспективны биологические силосные добавки: молочнокислые бактерии,
ферменты. Большая часть биологических силосных добавок содержит те виды
молочнокислых бактерий, которые способствуют молочнокислому брожению в силосе.
Применение заквасок чистых культур молочнокислых бактерий особенно результативно
при силосовании относительно трудносилосуемых растений. Для силосования
используют штаммы, обладающие значительной ферментативной активностью.
Используют, например, добавки Lactobacillus plantarum (активный рост при рН < 5,0)
совместно с добавками Pedicoccus и Streptococcus spp. (активны при рН от 5,0 до 6,5 - т.е.
на ранней стадии силосования) в соотношении 3 : 1. Такие добавки вызывают быстрое
падение рН за 24 ч. Этим сохраняется энергетическая и белковая ценность силоса:
ингибируется рост Clostridium spp. и ограничивается рост гетероферментативных
бактерий.
Биологические силосные добавки второго поколения включают кроме микроорганизмов
ферменты гидролиза запасных полисахаридов до гексоз и пентоз. Однако такие добавки не
гидролизуют лигнин и целлюлозу в условиях силосования. Новейшие биологические
добавки содержат целлюлолитические и гемицеллюлолитические ферменты.
РХТУ АЕК

12.

КОМПОСТИРОВАНИЕ
Компостирование - экзотермический процесс биологического
окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной
биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях
повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации
окисляется до 40% органического вещества, а оставшийся
органический субстрат претерпевает физические и химические
превращения с образованием стабильного гумифицированного
конечного продукта.
С помощью компостирования решаются 2 задачи:
1) переработка малотоксичных, но неприятных отходов в менее
неприятные для окружающей среды;
2) получение ценного для сельского хозяйства продукта органического удобрения и средства, улучшающего структуру
почвы. Компосты могут, например, использоваться для
выращивания грибов.
РХТУ АЕК

13.

T oC
max T
70
60
Спорулирующие
бактерии и
актиномицеты
Потребление
растворимых
веществ
50
Гибель грибов,
патогенных
микроорганизмов
40
T
Восстановление
популяции
грибов
pH
Потребление
полимеров
30
pH
20
Выделение NH3
10
Подкисление
I
II
Автолиз и
антибиотикообразование
Появление
почвенных
животных
III
8
6
Образование
гуминовых кислот
IV
4
Время
Стадии компостирования
I – мезофильная стадия, II – термофильная стадия, III – остывание, IV - созревание
Стадии I - III протекают в течение дней и недель.
Стадия IV – несколько месяцев.
РХТУ АЕК

14.

Организация процесса компостирования
Так как стоимость компоста низка, сложные процессы
компостирования не используются.
Для проведения и ускорения процесса компостирования
перерабатываемый субстрат собирают в кучи, бурты, гряды, ямы.
Отверстие для аэрации
Влажная земля и
древесная зола
Навоз
300
мм
50
150
Отходы
овощеводства
Всего
6–7 слоев
аналогичного
строения
толщиной 300 мм,
суммарная
высота 1,8–2,1 м
Схема компостной гряды
РХТУ АЕК

15.

Устраивают также компостные ряды, бурты, штабели с
принудительной аэрацией – с помощью каналов или труб,
расположенных под компостируемым материалом. Аэрация кучи
обеспечивается откачиванием воздуха или вдуванием воздуха в
каналы.
Штабели и бурты с принудительной аэрацией формируются высотой
до 4–5 м. Форма штабеля трапециевидная с шириной поверху 2–3 м.
Расход воздуха составляет 0,4–0,9 м3 на 1 м2 штабеля в час при
скорости движения воздуха 0,2–0,4 мм/с.
Используют также механизированную переработку: стадия
биодеградации проводится в колодцах, отсеках, силосах,
сбраживателях, барабанах, биореакторах. Задача этих процессов –
реализовать набор оптимальных параметров в виде недорогих, но
надежных систем для компостирования.
РХТУ АЕК

16.

Компостные бурты при крупномасштабном полевом компостировании
РХТУ АЕК

17.

Механизированное рыхление компостной гряды в полевых условиях
РХТУ АЕК

18.

Примеры механизированных систем компостирования
Механизированное компостирование проводится в два этапа: первый –
ускоренное разложение органического материала в условиях контролируемых
температуры, влажности, аэрации; второй – дозревание полученной
компостной массы в течение 3–4 недель в буртах или штабелях на площадках
или в реакторах, где она стабилизируется, обеззараживается и высушивается.
Варианты перемешивающих устройств с перемещающимся валом, используемые
при компостировании в механизированных траншейных системах
РХТУ АЕК

19.

Устройство вертикальных биореакторов для компостирования:
а) с перемешиванием внутри реактора; б) с одноступенчатым циклом; в) с
многоступенчатым многоэтажным циклом;
1 – подача компостной смеси; 2 – смесительные устройства; 3 – выгрузка
компоста; 4 – система аэрации воздухом; 5 – смеситель; 6 – поды.
РХТУ АЕК

20.

Схема системы компостирования твердых городских отходов и осадка сточных вод
РХТУ АЕК

21.

Недостатки промышленных механизированных технологий
компостирования:
– высокая стоимость сооружений, в 5–10 раз превышающая
стоимость сооружений для компостирования осадка в штабелях,
– сложность эксплуатации;
– затраты энергии на приготовление 1 т продукта составляют 20–200
кВт.ч; цена высококачественного компоста – 30–50 долл. США за 1 т
сухой массы.
– компостирование можно проводить в течение всего года, но так как
наибольшим спросом компост пользуется весной и осенью, то
необходимы площадки и емкости для его хранения.
РХТУ АЕК

22.

Для окисления белкового материала в соответствии с уравнением:
C16H24O5N4 + 16,5O2 16CO2 + 6H2O + 4NH3 + Q
расходуется около 1,5 кг O2/кг органического субстрата с выделением тепла
около 14,2 МДж/кг О2 (около 21 МДж/кг органического вещества) при скорости
тепловыделения 20–30 Вт/кг СВ. Тепла, выделяемого при окислении 1 кг
органического вещества, хватает для испарения 5 кг влаги. Часть влаги из
осадка удаляется за счет естественного испарения.
В больших кучах температура может достигать 80–90 оС. Для поддержания
оптимальной температуры организуют испарительное охлаждение с помощью
принудительной аэрации.
Предварительное измельчение увеличивает поверхность субстрата и скорость
компостирования, однако требует энергетических затрат. Энергетические
затраты на измельчение составляют: при измельчении до 50 мм – около 8
Вт.ч/кг; до 12,5 мм – около 20 Вт.ч/кг.
Перемешивание используется для уменьшения анаэробных зон,
диспергирования крупных фрагментов субстрата, что увеличивает удельную
поверхность, обеспечивает переработку большей части сырья в термофильных
условиях и ускоряет созревание компоста. Смесь в буртах перемешивают на
протяжении 30–45 сут. несколько раз (через 6–8 сут.). Однако чрезмерное
перемешивание вызывает охлаждение и высыхание компостируемой массы,
разрывы в мицелии актиномицетов и грибов или разрушение структуры сырья
и превращение его во влажную гомогенную массу.
РХТУ АЕК

23.

Для компостирования важно оптимальное соотношение углерода, азота и
фосфора в закладываемой массе. Соотношение углерода к азоту должно
находиться в пределах 20 : 1 – 30 : 1. Содержание фосфора должно составлять
0,5–1,0% от СВ компоста. Поэтому для компостирования смешивают различные
компоненты.
Примерные соотношения
мочевина
высушенная кровь
нечистоты, фекалии
сырой активный ил
костная мука
навоз
отходы пивоварения
водяной гиацинт
C : N в компостируемых органических отходах:
0,43
трава, сорняки
20
3
твердые отбросы
35
8
листья
60
8
пшеничная солома
80
8
рисовая солома
100
14
сырые древесные опилки
500
15
бумага
>1000
16
Материалы с большим содержанием влаги необходимо смешивать с твердым
материалом, сорбирующим влагу, который обеспечит смесь дополнительным
углеродом и создаст нужную для аэрации структуру смеси.
РХТУ АЕК

24.

Оптимальные значения параметров при компостировании в кучах, грядах, штабелях, буртах:
Соотношение C : N
Содержание сухих веществ
Содержание органического вещества
в компостируемой массе
Влажность
Свободный объем
Аэрация
Температура
рН среды
Размер частиц
Перемешивание
Размеры гряд
20 : 1 – 30 : 1
30–50%;
не менее 50% от СВ
50–70% (бóльшие значения возможны при
использовании наполнителей).
30%.
0,6–1,8 м3 воздуха/сут.кг летучей части
твердых веществ, поддержание
концентрации кислорода в
газовой фазе в пределах 7–18%
о
55–65 С
6,0–8,0
10–60 мм, оптимальный 12–13 мм для
систем с перемешиванием и
принудительной аэрацией;
50 мм для компостных гряд в случае
естественной аэрации.
Без перемешивания, при периодическом
рыхлении 1–3 раза в неделю в течение
трех недель в простых системах;
короткие периоды энергичного
перемешивания в механизированных
системах.
любая длина, высота 1,5–3,0 м и ширина
2,0–7,0 м для гряд, буртов и компостных
куч с естественной аэрацией; в случае
принудительной аэрации размеры
должны препятствовать перегреву.
РХТУ АЕК

25.

Типичный состав компоста (% по сухой массе):
органические вещества
C
N
P
K
Ca (в виде CaO)
рН компоста
25–80
8–50
0,4–3,5
0,1–1,6
0,4–1,6
0,7–1,5
6,5–7,5.
Необходимо контролировать уровень тяжелых металлов в компосте.
Компост можно вносить в почву в качестве удобрений каждые 3–4
года (если содержание тяжелых металлов в нем не превышает норму).
Типичные нормы внесения компоста – 5–10 т/га по сухому веществу.
РХТУ АЕК